張　賀　張保國(guó)　劉世明　劉　莉

(遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110004)

0　引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)日常出行所使用車(chē)輛的安全性越來(lái)越重視，而機(jī)動(dòng)車(chē)的制動(dòng)性能(即剎車(chē)性能)是評(píng)判機(jī)動(dòng)車(chē)安全性能的首要因素。減速度儀(也稱便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀)是一種通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛在制動(dòng)時(shí)充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)和制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間等指標(biāo)，進(jìn)而判別機(jī)動(dòng)車(chē)的制動(dòng)性能的儀器[1]。減速度儀廣泛應(yīng)用于各機(jī)動(dòng)車(chē)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、司法鑒定、仲裁、交通事故勘查等領(lǐng)域。為了保證減速度儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，就要使減速度儀得到定期、有效的量值溯源，減速度儀檢定裝置的成功研制有效解決了減速度儀的溯源問(wèn)題。該裝置通過(guò)對(duì)減速度儀采用靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)合的組合檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)減速度儀計(jì)量指標(biāo)的準(zhǔn)確有效檢測(cè)。

1　組成結(jié)構(gòu)和工作原理

減速度儀檢定裝置由靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)組成,如圖1所示。靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行模塊構(gòu)成，動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要分為傳感器模塊、主控制器模塊和液晶顯示模塊。

圖1　減速度儀檢定裝置組成結(jié)構(gòu)框圖

該裝置通過(guò)靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)的組合檢測(cè)方法對(duì)減速度儀進(jìn)行檢測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)是通過(guò)在操作系統(tǒng)界面設(shè)定檢測(cè)程序，伺服電機(jī)接收上位機(jī)發(fā)出的脈沖指令，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使校準(zhǔn)平臺(tái)按目標(biāo)角度旋轉(zhuǎn)，使校準(zhǔn)平臺(tái)連同被檢測(cè)減速度儀按照設(shè)定程序，同步的準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)到設(shè)定角度，比較減速度儀顯示的減速度示值和減速度儀檢定裝置靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的減速度標(biāo)準(zhǔn)值，確定誤差。動(dòng)態(tài)檢測(cè)是將減速度儀和動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)安裝在實(shí)驗(yàn)車(chē)輛上，將車(chē)輛提速至設(shè)定速度后急踩剎車(chē)，然后比較減速度儀的顯示值和減速度儀檢定裝置動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)值，確定誤差。微處理器通過(guò)對(duì)放大轉(zhuǎn)換后的加速度傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，其主要計(jì)量指標(biāo)MFDD(充分發(fā)出的平均減速度)的計(jì)算過(guò)程是:微處理器記錄車(chē)輛制動(dòng)初速度；0.8倍車(chē)輛制動(dòng)初速度；0.1倍車(chē)輛制動(dòng)初速度；在車(chē)輛制動(dòng)初速度和0.8倍車(chē)輛制動(dòng)初速度之間車(chē)輛行駛過(guò)的距離；車(chē)輛制動(dòng)初速度和0.1倍車(chē)輛制動(dòng)初速度之間車(chē)輛行駛過(guò)的距離；進(jìn)而計(jì)算出車(chē)輛充分發(fā)出的平均減速度MFDD[2]。依據(jù)公式：

式中：Vb為0.8V試驗(yàn)車(chē)速(km/h)；Ve為0.1V試驗(yàn)車(chē)速(km/h)，V為試驗(yàn)車(chē)制動(dòng)初速度(km/h)；Sb為試驗(yàn)車(chē)速?gòu)腣到Vb的行駛距離(m)；Se為試驗(yàn)車(chē)速?gòu)腣到Ve的行駛距離(m)。最終根據(jù)靜態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果，判定減速度儀是否合格。該裝置靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)由系統(tǒng)程序控制，自動(dòng)完成多檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)檢測(cè)，自動(dòng)記錄測(cè)量結(jié)果，大大提高了檢測(cè)效率；動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)微處理器80C196和高精度的MMA系列加速度傳感器，并采取多種降噪音、抗干擾設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高。減速度儀檢定裝置的靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)。

2　硬件設(shè)計(jì)

靜態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)主機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路處理后發(fā)送給電機(jī)，經(jīng)減速、傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)角位移的精確控制。結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用了80C196微處理器及高精度加速度傳感器。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)是以80C196微處理器為核心，該芯片在諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。它的主要特色：內(nèi)含488字節(jié)的寄存器RAM，具有8個(gè)高速輸入輸出口，2個(gè)硬件定時(shí)器，4個(gè)軟件定時(shí)器，1個(gè)8路十位A/D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)全雙工通用串行口等[3]。由于控制器涉及的輸入輸出量較多，80C196的I/O口不夠用，需要進(jìn)行擴(kuò)展，另外80C196還需外掛存儲(chǔ)器，考慮到可編程器件PSD813F具有豐富的存儲(chǔ)器資源，并有26個(gè)可編程的輸入輸出口，將80C196和PSD813F結(jié)合使用，可滿足控制器對(duì)存儲(chǔ)器及輸入輸出口的需求。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)采用飛思卡爾公司MMA系列加速度傳感器，該傳感器具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，線性度好的特點(diǎn)。

圖3　動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)由制動(dòng)腳踏板被踩下而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，加速度傳感器將采集到的模擬信號(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給微處理器，由微處理器分析、判斷，計(jì)算出相應(yīng)計(jì)量參數(shù)數(shù)據(jù)，并列表顯示出來(lái)，生成檢測(cè)記錄。

3　軟件設(shè)計(jì)

靜態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主菜單、測(cè)量結(jié)果顯示及相關(guān)參數(shù)設(shè)置界面，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和通訊，要實(shí)現(xiàn)的功能包括檢測(cè)程序設(shè)定功能、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)生成檢測(cè)記錄等功能。

動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：主菜單管理、系統(tǒng)初始化、系數(shù)標(biāo)定、參數(shù)設(shè)定、打印、通訊、測(cè)量等模塊組成。動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

為了降低系統(tǒng)噪音信號(hào)，軟件系統(tǒng)的濾波采用基于遞歸方程的計(jì)算方法：以輸入信號(hào)和前一個(gè)輸出信號(hào)與各自相關(guān)權(quán)重系數(shù)乘積的和作為當(dāng)前輸出信號(hào)。該濾波方式用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)濾波功能，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)可調(diào)整的軟件濾波器，具有一定的靈活性。通過(guò)這種算法，在一定程度上對(duì)檢測(cè)試驗(yàn)中的路面坑洼和傾斜進(jìn)行了補(bǔ)償。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證減速度儀檢定裝置的檢測(cè)能力，分別進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，被測(cè)設(shè)備為山東科大微機(jī)應(yīng)用研究所有限公司生產(chǎn)的WZD-A減速度儀，測(cè)量結(jié)果如表1。其中靜態(tài)檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行；動(dòng)態(tài)檢測(cè)在試驗(yàn)路面條件下進(jìn)行，以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)車(chē)為載體。

表1　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

檢測(cè)過(guò)程中靜態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)均順暢，減速度儀檢測(cè)裝置工作無(wú)異常。由表1可以得出結(jié)論，靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)均可滿足對(duì)減速度儀的檢測(cè)要求，符合校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

5　結(jié)論

減速度儀檢定裝置是根據(jù)減速度儀計(jì)量溯源要求而研制的，具有技術(shù)先進(jìn)、操作方便、自動(dòng)化程度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)功能完備、可靠等特點(diǎn)。該檢定裝置的成功研制，為減速度儀的溯源提供了行之有效的檢定手段，在國(guó)內(nèi)減速度儀的計(jì)量檢定領(lǐng)域中填補(bǔ)了一項(xiàng)空白。

[1]GA/T 485—2004便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀[S]

[2]JJF 1168—2007便攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀[S

[3]劉復(fù)華.8XC196KX單片機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002

[4]朱弋,王振洲,楊舒波,等.MMA系列加速度傳感器的原理及其應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2008,29(4)：97-98